含碳氧化錳礦粉微波加熱升溫特性研究

陸青艷，許繼明，玉安寧，梁梅花，蘇 靜

（信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西 崇左532315）

錳是一種非常重要的原料，在鋼鐵生產(chǎn)中的用量非常多，為90%～95%，常被用于煉鋼的脫氧劑和脫硫劑。含碳錳礦粉由于本身的強(qiáng)度不高，導(dǎo)致使用受限。為有效解決這一問題，可以利用微波技術(shù)對含碳錳礦粉進(jìn)行加熱處理。

下面重點(diǎn)對含碳氧化錳礦粉微波加熱升溫特性展開分析探討。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 主要材料

本次實(shí)驗(yàn)中使用的原料有含軟錳礦的錳礦粉、氧化錳礦粉、鈣質(zhì)石灰粉以及無煙煤粉等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

先用制樣機(jī)將本次實(shí)驗(yàn)中所有的原料全部制成粒徑為0.074 mm 的物料，然后預(yù)先設(shè)定好配比對各種物料進(jìn)行稱重，制備成含碳氧化錳礦粉混合物料，并從其中稱取1.0 kg的礦粉混合物料，裝入坩堝內(nèi)，放入微波冶金爐，將爐溫升至預(yù)先設(shè)定好的溫度。當(dāng)冶金爐完全冷卻之后，將物料從爐中取出。實(shí)驗(yàn)中的微波加熱頻率為2.450 GHz。

2 含碳氧化錳礦粉微波加熱升溫特性

2.1 關(guān)鍵影響因素

2.1.1 碳配比的影響

通過微波對不同碳配比的含碳氧化錳礦粉進(jìn)行加熱，當(dāng)?shù)V粉達(dá)到1 373 K 時(shí)，可以得到相應(yīng)的電磁參數(shù)，下面據(jù)此對碳配比的影響進(jìn)行分析。在碳配比提升的情況下，礦粉的介電常數(shù)、介電損耗因子均隨之提升，但磁導(dǎo)率、磁損耗卻并未發(fā)生太大的變化。之所以會產(chǎn)生這樣的情況，主要原因?yàn)椋簽楂@得較高配碳比的混合物料，需要在配制的過程中加入大量的無煙煤，當(dāng)?shù)V粉達(dá)到1 373 K 時(shí)，由于礦粉本身的電磁性能非常好，從而會被還原成低價(jià)的錳氧化物，因此類物質(zhì)的電磁性能偏低，而無煙煤本身的電磁性能較好，所以碳配比高的混合物料的電磁性能會有所提升，微波功率的消耗會隨之增大，可以獲得較好的微波吸收性能。

2.1.2 加熱溫度的影響

通過微波對含碳氧化錳礦粉進(jìn)行加熱，可得到1 373 K、1 473 K 和1 573 K 三個(gè)溫度下的電磁參數(shù)值。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在上述三個(gè)溫度下，含碳氧化錳礦粉的電磁參數(shù)值存在一定的差別。當(dāng)物料本身的溫度不斷升高時(shí)，還原物料的介電常數(shù)會隨之下降，因礦粉本身為介電型損耗介質(zhì)。因此，溫度對其電磁性能基本不會產(chǎn)生影響。

2.1.3 石灰的影響

對于不摻石灰的混合物料而言，其介電常數(shù)及損耗因子全部都比摻有石灰粉的混合物料高，并且這種情況在碳配比高的情況下更為明顯。而礦粉的磁導(dǎo)率和磁損耗卻并未受到石灰的影響。盡管不摻石灰的混合物料在電磁性能方面要高于摻有石灰的混合物料，但只是介電性能的提高。因此，石灰粉的摻入會導(dǎo)致混合物料的電磁性能降低。對于含碳氧化錳礦粉而言，它的介電特性與錳礦物結(jié)構(gòu)、輔料種類、晶格缺陷類型等有關(guān)。含碳氧化錳礦粉在微波加熱還原中，錳礦物除了會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之外，還會產(chǎn)生較為明顯的相變，還原物料本身的介電性質(zhì)則會隨著礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。軟錳礦顆粒的形狀以條片狀為主，呈現(xiàn)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，顆粒的大小不一，范圍在100～200 nm 之間。與球狀顆粒相比，條片狀顆粒的比表面積更大一些，由此使得此類結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生出更大的偶極矩。同時(shí)條片狀顆粒在電磁場中具有更多的吸收與散射截面，從而可以對電磁波進(jìn)行散射與衰減。正因如此，使得軟錳礦具有更好的微波吸收性能。

2.2 升溫特性

在對含碳氧化錳礦粉的升溫特性進(jìn)行研究時(shí)，可以從如下兩個(gè)方面著手：原料混合前與原料混合后。

2.2.1 原料混合前

通過微波對單個(gè)原料進(jìn)行加熱，可以得到相應(yīng)的升溫曲線。由此可知，對微波具有較好吸收性能的原料為MnO 礦粉、無煙煤粉，這兩種原料在微波就加熱后能夠快速升溫，相比而言，MnO 礦粉的升溫效果更佳；對微波吸收性能比較弱的原料為鈣質(zhì)石灰粉，這種原料基本上無法被微波加熱，究其根本原因是該原材料中所含的主要成分為CaO（氧化鈣）和SiO2（二氧化硅），這兩種物質(zhì)全部歸屬于惰性材料的范疇，對于微波而言，它們都是透明體，無法被微波加熱。相關(guān)研究結(jié)果顯示，純氧化鈣的升溫速率為1.01 K/s，純二氧化硅的升溫速率為0.32 K/s，純二氧化錳的升溫速率為10.8 K/s，石墨的升溫速率為9.98 K/s。由物相分析可知，本次實(shí)驗(yàn)中選用的MnO 礦粉當(dāng)中含有以下物質(zhì)：軟錳礦、水錳礦、褐錳礦以及赤褐鐵等。因MnO 礦粉的礦物成分相對比較復(fù)雜，從而使其對電磁性能產(chǎn)生了較大的影響，越復(fù)雜的成分中所含的雜質(zhì)越多，從而會使介電損耗進(jìn)一步增大，有助于提升微波的吸收性能。

MnO 礦粉在微波加熱的初期階段升溫速率快速提高，并在2 min 時(shí)達(dá)到了118 K，由此說明軟錳礦具有較大的介質(zhì)損耗因子，對微波具有良好的吸收性能。同時(shí)，在錳礦當(dāng)中，會含有一定的高價(jià)氧化物及化合水，由于水本身具有較高的介電常數(shù)，從而使其會對錳礦粉的介電性質(zhì)產(chǎn)生影響，即增大介質(zhì)的損耗，使升溫過程進(jìn)一步加快。不僅如此，在MnO 礦粉當(dāng)中還含有大量的雜質(zhì)礦物，這部分雜質(zhì)會引起空位缺陷，由此可會使礦粉對微波的吸收性能得到提升。在對物料進(jìn)行加熱14 min 后，物料的溫度達(dá)到1 134 K，此時(shí)物料的升溫速率逐步下降為45 K/min。之所以會出現(xiàn)這種情況，主要是因?yàn)樵谖⒉ㄝ椛涞倪^程中，軟錳礦向四氧化三錳轉(zhuǎn)變，與軟錳礦相比，四氧化三錳對微波的吸收性能較弱，進(jìn)而對升溫速率造成影響。軟錳礦在向四氧化三錳轉(zhuǎn)變時(shí)，需要進(jìn)行吸熱反應(yīng)，導(dǎo)致大量的微波能被消耗，升溫速率隨之降低。在15 min 以后，四氧化三錳重新向軟錳礦轉(zhuǎn)變，升溫速率再次升高。

2.2.2 原料混合后

各種原料以一定的配比制備成混合物料，其升溫特性如下：由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，提高配碳比后，混合物料的升溫速率隨之提高，在不同溫度下的平均升溫速率分別為73.33 K/min（對應(yīng)的混合物料溫度為1 373 K）、46.15 K/min（對應(yīng)的混合物料溫度為1 473 K）、37.14 K/min（對應(yīng)的混合物料溫度為1 573 K）。從上述數(shù)據(jù)中可以看出，物料溫度提高，升溫速率下降。換言之，混合物料的升溫性能隨加熱溫度的提高而下降。究其根本原因，是受到混合物料溫度升高的影響，在還原反應(yīng)當(dāng)中生成的金屬化物量會變得越來越多，從而導(dǎo)致還原混合物料的電磁性能下降，升溫性能隨之降低。基于熱力學(xué)的原理，越高的加熱溫度越有助于含碳氧化錳礦粉的還原，產(chǎn)生的還原效果越好。混合物料中鈣質(zhì)石灰石的加入會使升溫性能呈現(xiàn)出略微下降的態(tài)勢，降幅相對較小。在混合物料不加石灰的前提下，對其進(jìn)行加熱，時(shí)間為2 min，物料的升溫速率能夠達(dá)到29 K/min，隨著物料排出吸附水，升溫速率隨之下降，加熱時(shí)間為3 min 時(shí)，升溫速率重新升高，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到7 min 時(shí)，升溫速度達(dá)到最大值，即134 K/min。之所以會出現(xiàn)這樣的情況是因?yàn)榛旌衔锪袭?dāng)中的MnO 和軟錳礦對微波具有良好的吸收性能，達(dá)到較快的升溫速率。加熱7 min 后，升溫速度開始呈現(xiàn)出下降的趨勢，這個(gè)情況與軟錳礦與無煙煤發(fā)生還原反應(yīng)有關(guān)，在加熱9 min 時(shí)，生成四氧化三錳，因該物質(zhì)對微波的吸收性能較弱，從而使得升溫速率開始快速下降。加熱12 min 時(shí)，四氧化三錳被逐步還原成MnO，由于MnO 在微波吸收性能方面要比四氧化三錳強(qiáng)一些。因此，升溫速率的降速有所減緩，當(dāng)加熱15 min 時(shí)，MnO 被還原為金屬錳及碳化物，升溫速率進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論

綜上所述，為解決含碳錳礦粉硬度不夠的問題，可以采用微波技術(shù)對礦粉進(jìn)行加熱處理。本文以實(shí)驗(yàn)的方法，對含碳氧化錳礦粉微波加熱的升溫特性進(jìn)行分析，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以微波對含碳錳礦粉進(jìn)行加熱時(shí)，應(yīng)當(dāng)對碳配比、加熱溫度及石灰摻量進(jìn)行控制，以此來達(dá)到預(yù)期的效果。